不只是槓杆原理~~细说油压煞车

http://www.5i01.cn/topicdetail.php?f=318&t=382571&p=1

在国内各大自行车论坛里,

一定会有这么一二篇:
我快被我的油压刹车搞死了
怎么换了油煞煞车煞车力道更差?......等

猫也曾经是这些喊救命的一员,嗯......应该不是曾经.....我也将来应该还会是...

几次遇到问题,几次的摸索,也慢慢使猫对油压煞车有了点的概念
故在此,分享给各位车友

在此猫就以SHIMANO的油压煞车为题材,来做讨论

一般油压煞车,由上而下大致分为3部分
1.煞把Brake Lever
2.油管Hose
3.卡钳Caliper

其中
煞把又包含油壶,主油缸, 煞车杆
油管又包含铜头, 油管本体
卡钳则又包含活塞, 副油缸, 煞车片

以下,猫就由上而下开始介绍.......

由左而右就是把煞把的壶盖取出的顺序(里面的刹油猫已预先抽干)
左:把2支螺丝打开
中:首先看到的是油封
右:把油封拿开,可见整个油壶

油壶油封

打开油壶,可以看见主油缸(总泵)外型(红线)

油管

shimano 的油管的接头有2种规格,分别为SM-BH59及SM-BH61二种
上图为BH59接头加上850mm的油管,完整货号如上图SM-BH59 0850
所以要自己要订购油管,要把货号记清楚,免得买到不合用的
BH61的接头是用侧锁式的(如06XT卡钳)

卡钳

一般而言,卡钳是由上图的几个小零件组装而成
如果,猫还是以上图来介绍卡钳,那就逊掉了............
猫,这次要把卡钳再大部分解一层,好让各位看看卡钳的作动机转及理论

如同先前提到的:卡钳是由活塞, 副油缸, 煞车片来组成
所以,猫在这4项里再做申论

首先,活塞

原则上这个活塞是不会出大问题
不过,猫曾经在对岸的论坛中看到有人提出,他的油煞,每到下雪季节就会从活塞里冒出油来,
所以猫怀疑是否是因为冬天寒冷以致这个活塞体积缩小,造成活塞与油封间出现空隙,再加上油压缸里的液压......结果就溢出了

由上图可知,活塞的直径为20mm(方格为20X20mm)

也或许是油封老化造成的
老化原因是用错刹车油吗?dot4? 流言终结者~~(煞车油腐蚀试验)

卡钳活塞油封

副油缸........

上图:
左图棉花棒由注油孔插入,可由油管孔看到棉花棒另一端,
而得知右图红色部分是相通的(煞车油走的通道)

由以上介绍我们大略可以想像出以下的动画

再来我们可以假设以下的情况
设:煞车油理想状态体积为完全不可压缩,油管弹性系数为0
故:可推出V1=V2

下图:则把要讨论的V1(活塞伸出体积)及V2(刹车总泵活动体积)
图示化以方便理解V1=A x H ; V2=a x h
PS: V1=V2

再下来我们要导入液压常用的巴斯卡原理
巴斯卡原理的中心思想: 对一密闭液体所施的压力，必会传递到液体各部份及容器壁上，且其值不变

设:a即是煞把推活塞的圆面积,而推动煞把活塞的力量为f
则我们施予整个煞车密闭系统中煞车油压力为f/a
此为表示在此时整个刹车系统里的刹车油是处于f/a的压力下
当然,推动刹车活塞部分的煞车油也是处于f/a的压力下

如下图
把推动煞车活塞部分的煞车油再放大详解
由下图不难理解,此时推动单一活塞的总力量为f/a X A

依前文
我们得到一个公式:

耶~~等等,XTR不是为对向的双活塞卡钳吗?
那推煞车片的力道(Fb)不该是2倍fA/a吗?
猫认为这样讲似乎是不对的,猫举一例子来反面解释为什么不是2倍

因为如果以单活塞卡钳来看其实,在另一边还是有装上煞车皮的
只是这个煞车皮是不动的(直接贴紧卡钳),那这一边的煞车力道是哪来的?

答案很简单:
就是牛顿第3定律(作用力=反作用力)
也是说,一边卡钳施多少力,则另一边也就产生另一反作用力

这种感觉应该可以去问买过 giant某些06车款配的hayes sole 单活塞的车友们
当这些车友由hayes sole 升级为双活塞煞车,为什么没有明显感觉出双活塞的煞车力道是单活塞的2倍之大,由此可见一斑

由上面公式,可知要增加煞车力道我们有3种方式:
1.可以增加f (按刹车把力量)
2.增加A(卡钳伸出活塞的底面积)
3.也可以减少a(煞把活塞底面积)

我们再申论以上三点(假设要放大煞车力4倍来说),有以下3种方式
1.第1点增加按煞把力量4倍即可
2.增加活塞底面积4倍
3.缩小煞把活塞底面积4倍

第1点增加按煞把力为4倍,这应该很容易理解

比较有问题的是第2.3点
因为2.3点还有一个要素要考量
这个因素就是煞车油体积(V1=V2)是不变的

以第2点来说:
以煞车油的体积是不变的前提下,如增加活塞底面积4倍
势必会使活塞伸出长度,缩为原来的1/4
这意味该活塞将使盘片与卡钳的距离要更近,所以盘片,煞车片间的对准要更精确
如下图的油压系统放大倍率为4倍
按这里检视图片

以第3点来说
煞车油的体积是不变的前提下,缩小煞把活塞底面积4倍
会使压煞把的距离增为4倍
当然,这之间要考虑使用者的手指长度与使用上的实用性

而真正的切线煞车力(煞车力矩) =
推煞车片力(Fb) X 煞车片摩擦系数(Fr) X 碟盘半径(R)
所以,其实要增加切线煞车力(煞车力矩)还有增加煞车片的摩擦系数与加大碟盘半径,2种方式

首先:谈到煞车片摩擦系数就必须谈到煞车片....以shimano来说,在煞车皮材质上就有一些小差异了
目前市面上还有流通的大致为Resin 与 Metal这2种
Resin 货号为M07S
Metal货号为M06

Resin M07S为新一代的煞车皮配方,新导入合成树脂,
可以降低长时间煞车锁产生的噪音
至于旧款的金属配方,也非一无是处,至少比较耐磨就是一特点

至于在制动力上呢?猫目前手上没有 M06 Metal 可以与 M07S Resin做比较
所以,报告先欠著了

最后,可以加大煞车力道的方式: 加大碟盘半径

目前,常使用在自行车上的盘片尺寸分别为160mm;180mm;203mm
一般直觉上我们感觉加大碟盘,所得的煞车力道是随着盘片半径(力臂),而做线性提升

以160mm 与 180mm 的碟盘做比较:

160mm与180mm的碟盘半径分别为80mm与90mm
80mm与90mm则分别为该盘片煞车力臂
故180的盘片煞车力臂为160的90/80=1.125倍

耶~~~怎么才1.125倍啊!!??
等等~~先别急着下定论,注意到没?
猫是说力臂是1.125倍,并不是说煞车制动力为1.125倍

一般我们说的煞车制动力应是指:
把一个移动中的物体,变成停止状态

所以,越好的制动力,应是指能在越短距离内使移动物体停止

因此,事情就开始有点复杂了
有些物理底子的人看到以下这个公式就应该明白了

m=全车质量
v=速度
S=煞车片与盘片摩擦距离

又前文中我们导出:
切线煞车力(煞车力矩):
推煞车片力道(Fb) X 煞车片摩擦力(Fr) X 碟盘半径(R)

这里我们可得完整公式:

其中S(煞车片与盘片摩擦距离)反比于盘片半径(R)
所以,160的盘片所需磨擦的距离为180盘片的1.125倍
故S160=1.125 x S180 (S180=S160/1.125)

所以我们假设以160碟盘来磨擦1圈的距离可以完全煞停的动能
换到180的碟盘上则需转几圈呢?

S160= 160mm x 3.14
S180= S160/1.125 = 160mm x 3.14 / 1.125

而S180是占180盘片的几圈呢?
S180= 160mm x 3.14 / 1.125
180盘片的圆周=180mm x 3.14
所以是占

嗯!答案出来了! 160碟盘转一圈可以煞住的动能
拿到180碟盘上只需0.79圈

不只0.79这样如此,我们还要换算成26吋的轮圈来求实际省下的煞车距离
1-0.79=0.21(180碟盘省下的圈数)
0.21 x 26吋 x 3.14= 17.1444吋=43.55公分

如果以160转一圈可煞停的动能下,180碟盘可比160碟盘提早43.55公分煞停
嗯~~我想,这个数字应该能比较安慰你了吧!

总结:
为什么V夹的煞车力臂是26吋轮圈,可是制动力却比力臂160mm的油碟差?
ANS: 因为油压系统可以放大压煞车片的力道(一般为10~17倍),这倍数远胜于26吋轮圈对于160mm盘片的倍率

要如何得知你目前煞车的的放大倍率?
原则上,我们可以肉眼来粗估计卡钳的放大倍率
压煞把然后观察煞把支点移动的距离/卡钳活塞移动的距离=放大倍率(一般设定在10~17倍)
类似的道理,用在线拉V夹上所得即为1(表示V夹并无放大)
机械碟,因为猫没玩过机械碟,所以猫猜测:机械碟的卡钳里应该有类似齿轮的机构来放大煞车力道
一样应可由上述方式粗估计放大倍率

为什么要有4活塞,6活塞,8活塞的卡钳的问世?
ANS:原因很简单就是要增加A(活塞伸出底面积),并不单纯只是增加磨擦面积而已
所以,我们观察多活塞的卡钳,其活塞位移的动作都是很小(造成常常磨碟)

金属油管的必要性?
其实前文的煞车油V1=V2在现实世界里是不存在的
通常油管都会有些微的弹性,所以V1其实是稍微大于V2的
这其中的小差异就是用来撑开油管所丧失的,要减少这丧失唯有降低油管的弹性
(所以我们观察按煞把时,可以发现油管是有撑直的趋势)

以油管外围包复金属网即是一个好方法
也可以加厚油管来达成

所以,有人说金属油管的感觉比较直接,很死硬
而塑胶油管则带点Q感,即是由此而来

换个技术层面的说法:
当我们用力压煞把金属油管是可以比较完整的把力道传到煞车片上,不流失
而塑胶油管则会把一小部份的力道浪费到撑膨油管上

加大碟盘的优缺点?
优点:同上文所述可以增加制动力,外观上也让人更喷张些
缺点:因为盘片圆心离煞车作用区域(圆周)更远了,使得圆周的固定性更差,
如果转弯的动作大一点,急一点,盘片就会产生类似荡剑一般的抖动效果,因而磨到煞车皮

空气跑进去油压系统中,一定就会油压失灵吗?
不一定如此!
这还要看这个气泡的位置来定论。如果气泡是在油壶里则不影响煞车功能
其实,油壶在整个油压系统中,是不属于油压的一部份的(油壶里的油是不受煞把活塞压力)
所以,油壶里有没有跑空气进去,并不是那么重要(这一点可以从一些机车透明油壶里看到气泡得证)

也就有这么一说:把车倒立会造成油压煞车跑进空气
其原因就是,如果你的油壶里原先是有气泡,因为倒立就会让这气泡有机会回归到刹车总泵里(进入油压系统中)

相反的,有些骑士其实油管中原先已有空气,
用着用着,突然一天煞车力道居然回复到先前没空气的煞感了
原因就是,在油管里的气泡跑到油壶了

如下图:
表示油壶里的气泡,并不干扰到整个油压系统的运作

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